Water dynamics, coherent domains and the origin of life

Abstract

The aim of this thesis is to deploy and develop quantum physics to account for the role of fast electronic dynamics on water’s characteristics, in particular, for water under confinement, and to explore some of its implications in the context of the origin of life. There are unexplained observations of proton synchronization in waterfilled carbon nanotubes, that point at a qualitatively different behavior of water to that predicted by existing theories. A novel study of water as a complex system is proposed and advanced, that combines quantum electrodynamics and quantum chemistry approaches and simulation methods. Several water scales and representations are explored, that aim at the development of a QED-QC multi-scale simulation framework potentially well-adapted for simulation in a biological environment. A multi-scale ontology for water is proposed, with representations at the micro, meso and macroscopic scale, that encode certain properties of the water system. In particular, a polaron model is used at the macroscopic scale, to obtain the size of the polarons that accounts for the observed kinetic energy difference of nanotube water, based on the relationship between radius and number of polarons for kinetic energy value. At the mesoscopic scale, the system is captured through the exciton wave function, using Quantum exciton Hamiltonian, to obtain water quantum dynamics and synchronization. It is argued that the nanotube water molecular dispositions promote quantum electronic synchronization and thus possibly proton synchronization. At the microscopic scale, water is represented as a point charges nuclei, and electron density in 3D space, system. The electron density plots are obtained using linear response, with softening of the potential for the protons. Also, exact Shrödinger equation in the grid is solved using Discrete Variable Representation, in this case for the electron density in 1D, and the time-evolution of the electron density is derived. We show that water molecule’s electronic interaction with a common electromagnetic degree of freedom and synchronization provides a mechanism for proton synchronization. The question of water collective behavior possible role for life is tackled in a model for the origin of life based on our findings. The significance of this study is that it offers a plausible explanation of the observed nanotube water behavior, and several avenues of development of QED-QC study of water, contributing to the development of a QED-QC simulation framework in which to simulate water in biology with potential future applications for biology and medicine.

O objetivo desta tese é desenvolver a física quântica para dar conta do papel da dinâmica eletrônica rápida nas características da água, em particular, para a água sob confinamento, e explorar algumas de suas implicações no contexto da origem da água. vida. Existem observações inexplicáveis de sincronização de prótons em nanotubos de carbono cheios de água, que apontam para um comportamento qualitativamente diferente da água ao previsto pelas teorias existentes. Um novo estudo da água como um sistema complexo é proposto e avançado, que combina abordagens de eletrodinâmica quântica e química quântica e métodos de simulação. Várias escalas de água e representações são exploradas, que visam ao desenvolvimento de uma estrutura de simulação multi-escala QED-QC potencialmente bem adaptada para simulação em um ambiente biológico. Uma ontologia multi-escala para a água é proposta, com representações nas escalas micro, meso e macroscópica, que codificam certas propriedades do sistema hídrico. Em particular, um modelo de polaron é usado na escala macroscópica, para obter o tamanho dos polarons que é responsável pela diferença de energia cinética observada da água do nanotubo, com base na relação entre o raio e o número de polarons para o valor da energia cinética. Na escala mesoscópica, o sistema é capturado por meio da função de onda de exciton, usando o Hamiltoniano do exciton quântico, para obter a dinâmica e a sincronização quântica da água. Argumenta-se que as disposições moleculares da água do nanotubo promovem a sincronização eletrônica quântica e, portanto, possivelmente a sincronização de prótons. Na escala microscópica, a água é representada como um núcleo de carga pontual e densidade eletrônica no espaço 3D, sistema. Os gráficos de densidade de elétrons são obtidos usando resposta linear, com amolecimento do potencial para os prótons. Além disso, a equação exata de Shrödinger na grade é resolvida usando Representação de Variável Discreta, neste caso para a densidade de elétrons em 1D, e a evolução temporal da densidade de elétrons é derivada. Mostramos que a interação eletrônica da molécula de água com um grau eletromagnético comum de liberdade e sincronização fornece um mecanismo para a sincronização de prótons. A questão do possível papel do comportamento coletivo da água para a vida é abordada em um modelo para a origem da vida baseado em nossas descobertas. A significância deste estudo é que ele oferece uma explicação plausível do comportamento da água do nanotubo observado, e várias vias de desenvolvimento do estudo QED-QC da água, contribuindo para o desenvolvimento de uma estrutura de simulação QED-QC na qual simular a água na biologia com potenciais aplicações futuras para biologia e medicina.